如何最好地测试无线系统

作者：Jeffrey Fajutagana和Kiana Khey

本文详细讨论了无线系统测试中要考虑的重要因素， 特别是涉及定时和同步的系统级测试， 并探讨了在一定的误差范围内在发送器和接收器块之间无线传输数据的必要因素。本文中讨论的因素将有助于开发测试用例，以确定功能和非功能规范、系统边界和错误，以确保高度可靠和同步的无线系统。

介绍

无线技术的快速发展开启了无线通信的新时代。它几乎无处不在，对通信、医疗保健、汽车和太空探索行业等不同领域的创新进步产生了重大影响。它的市场已经成熟，正在见证一个动态增长的时期。预计收入将从2019年的1，4，313亿美元扩大至2024年的5，5，194亿美元，复合年增长率为31%。无线技术仍在不断发展，并通过实现更高的精度、更高的运营效率、更快的决策能力、更高的数据速率和更多的成本节约，继续开辟更多的可能性。然而，这些设备功能的增加也增加了无线系统级测试环境中的复杂性。

精确的定时和同步是任何无线系统正常工作的基本要求。这些是在确定的容差范围内匹配系统中的发射器和接收器时钟的过程。它们可确保最大的数据包完整性和优化的数据流，并且在任何无线系统测试和开发中都应始终高度考虑它们。然而，实现这些要求是困难的，因为时钟源因其漂移而臭名昭著。即使是微秒级的微小漂移也会随着时间的推移而累积，并可能导致系统失去同步。完美同步的无线系统只能 当时钟完美匹配时实现。但实际上，这是非常具有挑战性的。漂移是时钟的固有特征，会导致时钟计数时间的差异，并最终导致不同步。

同步不良的系统可能会导致传输降级，从而降低正在传输的数据的质量。此外，它可能导致数据完整性的损失，并可能导致操作失败，这在可能影响人员健康、安保和安全的生命和安全关键应用中非常重要。在这些应用程序中造成负面影响可能会导致法律责任和客户信誉损失。

由于对同步良好的系统的需求很大，因此根据精度和移动性等要求使用多种同步技术。这些是：

基于发送方-接收方的同步

图1.基于发送方-接收方的同步。

基于接收器-接收器的同步

图2.基于接收器-接收器的同步。

延迟测量同步

图3.基于延迟测量的同步。

基于发送方-接收方的同步是一种双向消息交换。传感器网络的定时同步协议 （TPSN） 就是一个例子。在 TPSN 中，网络同步是通过在节点之间发送和接收同步脉冲数据包来完成的。每次传输的时间偏移都带有时间戳并计算以确定时钟时间差，用于同步节点。

基于 SFD 的同步使用单向消息交换。引用广播同步 （RBS） 使用此类型的同步。

延迟测量同步与基于接收机-接收机的同步一样，也是一种单向消息交换;但是，它衡量延迟。一 这方面的例子是延迟测量时间同步（DMTS）。

后续章节将详细讨论使用 TPSN 的无线系统中使用的不同定时和同步参数，每个参数如何影响系统的整体功能，以及如何配置这些参数以确保系统更稳定和同步。此外，在无线系统级测试期间，这些参数将有助于识别与定时和同步相关的错误和系统边界。

定时和同步参数

同步参考

无线电使软件能够使用同步参考点准确安排发送和接收命令。事件以与参考点的正偏移来调度，以允许发射器和接收器之间的同步。以下是无线系统中使用的常见参考点：

立即同步

同步参考点是在处理同步命令 （set_sync_ref（NOW）） 时设置的。

图 4 显示了相对于 （set_sync_ref（NOW）） 命令的引用集传输的数据包。

图4.立即同步。

同步 SFD

同步参考点设置在帧的开头 （SOF），指示 检测到有效的同步字。

发送命令 （set_sync_ref（SFD）） 会在发送命令后首次启动帧检测 （SFD） 后立即设置参考点。在图5中，第二个传输数据包相对于SFD参考点传输。

图5.同步 SFD。

同步最新

在此同步模式下，同步参考点每 SOF 设置一次。如图 6 所示，对于收到的每个后续有效数据包同步字，同步参考将更新为最新 SOF 的时间戳。

图6.同步最新。

使用这些同步模式可在两个节点之间实现同步。但是，重要的是要注意，硬件时钟以其漂移而闻名，这会导致其频率随时间变化并可能导致不准确。因此，时钟在任何给定时间都可能不同。定期更新发送和接收时钟的同步基准可最大限度地减少偏斜和漂移的影响。

时间偏移

时间偏移量是当前时间与时间开始的时间差 捕获或同步引用。发送或接收时使用此参数。

最小时间偏移开始是传输所需的最短时间/ 接收命令以立即执行。此参数的计算基于 关于 API 和无线电的固有延迟。小于此值可能会导致 调度错误，导致发送/接收事务失败。

图7.时间偏移。

图 8 显示了所用时间偏移小于最小值的情况 允许的时间，这导致命令调度到具有 已经通过了。

图8.调度超过设置偏移量的数据包。

执行两个连续的发送和接收命令（Tx-Tx 或 Rx-Rx）时， 第一个数据包的大小是确定时间偏移量的重要因素 可用于在两者都使用 单次参考。随着第一个数据包长度的增加，时间偏移量 的第二个命令也必须增加以确保事务成功。 使用小于允许的最小时间偏移量的时间偏移量将安排 第二个数据包仍在执行，从而导致故障。 如图 9 所示。

图9.使用时间偏移的数据包调度。

最大时间偏移

最大时间偏移量用于防止在设置时间之外调度数据包。由于 对于时钟漂移，调度数据包离同步参考太远可能会导致 计划不准确，这可能会导致信号检测超时或 SOF 超时。 这些超时将在超时部分中详细讨论。

周转时间

周转时间定义为物理 （PHY） 层所需的时间 从接收模式更改为传输模式，反之亦然。周转期间 时间，模拟射频前端中的组件上电并稳定， 这消耗了相当多的时间。这个时间消耗变成 对于过程控制回路等低延迟反馈应用更为关键 在远程控制机械臂或其他机械的工业系统中 参与其中。周转时间仅适用于半双工收发器。

当用户需要尽快发送传输数据包时使用周转时间 因为 PHY 层在接收包后再次准备就绪（反之亦然）。

图 10 显示了接收和发送两个数据包。在这种情况下，命令 sched_rx_packet（0） 使收发器准备接收数据包。在本例中，偏移量设置为 0，这意味着一旦 PHY 准备就绪，收发器将立即开始接收数据包。在数据包接收期间，发送了sched_tx_packet（0）命令，导致PHY层切换到周转状态。软件以完成接收作为参考点调度传输数据包，然后添加周转时间值。

图 10.具有周转时间的数据包调度。

图 11 显示了在软件中未设置周转时间时会发生什么情况。由于未设置周转值，因此调度程序将下一个数据包设置为在第一个数据包之后立即传输。调度程序不知道 PHY 层还不能发送/接收，因为它仍然必须更改其状态，从而导致下一个数据包失败。

图 11.无周转时间的数据包调度。

这表明设置周转时间的重要性。没有它，用户将不知道在传输期间调度的接收（反之亦然）是否会成功执行。周转时间值应基于 PHY 层从 PHY 传输状态转换到 PHY 接收状态的持续时间。对于RF设备频繁从发射切换到接收的情况，反之亦然，这种情况至关重要。

数据包间间隙

数据包间间隙是从前一帧的最后一位到下一帧的第一比特（均为空中）的时间。与周转时间一样，数据包间间隙用作在发送/接收另一个数据包时发送数据包的参考。区别在于，在相同类型的两个数据包（Tx-Tx或Rx-Rx）之间使用数据包间间隙。收发器需要数据包间间隙，以便为下一个数据包准备 PHY。

图 12 显示了两个数据包，传输和传输。在这种情况下，命令 sched_tx_packet（0） 使收发器立即开始传输数据包。在第一个数据包尚未完成传输时发送另一个 sched_tx_packet（0） 命令会导致调度程序将下一个数据包设置为在当前数据包完成传输后立即开始传输。调度程序将数据包间间隙值用作传输下一个数据包的参考。其值基于 PHY 的斜坡下降和爬升时间。这可确保 PHY 已准备好执行另一个数据包传输/接收。

图 12.具有数据包间间隙的数据包调度。

图 13 显示了未设置数据包间间隙时的错误。调度程序将下一个数据包设置为在第一个数据包完成传输/接收后立即传输。但是，与周转时间相同，调度程序不知道PHY仍未准备好进行另一次传输/接收。

图 13.无数据包间间隙的数据包调度。

超时

在无线系统中，超时用于防止设备无限等待响应。超时设置为设备等待有效响应的允许时间段。如果在时间范围内未收到有效响应，将报告错误。最常见的超时类型如下：

帧超时开始

检测到无效同步时，会发生 SOF 超时。当 SOF 计时器在接收同步字之前过期时，也会发生 SOF 超时。

图 14 显示了在 SOF 计时器周期内检测到的有效同步地址，而图 15 显示了由于在分配的时间内未检测到有效同步地址而发生 SOF 超时的情况。

图 14.使用正确的同步地址进行数据包检测。

图 15.由于同步地址无效而导致的 SOF 超时错误。

信号检测超时

当在SD周期内未检测到有效的前导码或计时器在接收前导码之前过期时，将发生信号检测超时。如图 16 和图 17 所示。

图 16.由于数据包延迟而导致的 SD 超时错误。

图 17.由于未检测到数据包而导致的 SD 超时错误。

图 18 显示了在计时器中检测到有效报头的场景 时期;因此，未检测到超时。

图 18.没有 SD 超时。

设置适当的超时期限非常重要。超时不能太 短或太长。使用太短的超时将导致虚假检测 其中有一个有效的数据包，但由于没有足够的时间检测到它 到短超时。使用更长的超时将减少杂散的数量 超时，但会导致设备长时间保持活动状态，这 意味着更多的电力消耗和浪费。

结论

时间同步是无线系统中的一个重要元素，尤其是在 数据完整性是关键要求的应用程序。有许多 可能影响系统同步的因素，并具有实质性的 了解其时序参数的相关性和特性将 帮助工程师开发和执行无线系统级测试 可靠的无线系统。

审核编辑：郭婷